殷豪帥，王 琳，樸 恒，楊曼孜，于 童，畢學(xué)軍,*

(1.青島理工大學(xué)環(huán)境與市政工程學(xué)院，山東青島 266033；2.青島市市政工程設(shè)計(jì)研究院有限責(zé)任公司，山東青島 266100)

近年來(lái)，隨著城市排水系統(tǒng)逐漸完善及污水處理提質(zhì)增效工作的推進(jìn)，降雨徑流污染對(duì)城市水體的影響越來(lái)越受到人們的關(guān)注。傳統(tǒng)城市道路建設(shè)多采用瀝青等不透水材料，導(dǎo)致一定區(qū)域內(nèi)自然水文發(fā)生變化[1]。降雨徑流攜帶的大量地表污染物直接排入自然水體，特別是城市道路徑流中的大量懸浮顆粒物和有機(jī)污染物對(duì)城市水體環(huán)境產(chǎn)生嚴(yán)重污染[2]。在海綿城市建設(shè)中，通過“滲、滯、蓄、凈、用、排”等措施，就地消納污染、利用降雨，可顯著降低城市內(nèi)澇與水體污染[3-4]。

海綿城市建設(shè)設(shè)計(jì)需準(zhǔn)確掌握不同下墊面污染物徑流規(guī)律。然而，不同地區(qū)下墊面徑流污染存在較大差別[5-7]。北方濱海城市特殊的環(huán)境、地質(zhì)與地貌條件，導(dǎo)致了其降雨徑流污染的獨(dú)特性，其自然降雨隨機(jī)性強(qiáng)，降雨強(qiáng)度、降雨歷時(shí)難以人為控制，且無(wú)法按照設(shè)定進(jìn)行試驗(yàn)，故本文采用人工模擬降雨試驗(yàn)的方式，選取青島作為典型北方濱海城市，進(jìn)行不同降雨重現(xiàn)期城市道路下墊面主要污染物變化規(guī)律的研究，明確徑流污染的主要控制指標(biāo)，開展城市道路下墊面降雨徑流污染特征與規(guī)律研究，確定設(shè)計(jì)降雨量和年徑流量的控制關(guān)系，為北方濱海城市的海綿城市建設(shè)提供基礎(chǔ)數(shù)據(jù)支持。

1 降雨徑流污染試驗(yàn)方法

1.1 區(qū)域概況

青島市1984年—2018年年降雨量分布如圖1所示。其中，最高年降雨量為1 353.2 mm(2007年)，最低年降雨量為407 mm(1992年)。近30年，最大年降雨量是最小年降雨量的3倍多，降雨量年際變化明顯。青島市年內(nèi)降雨分布情況如圖2所示。年內(nèi)降雨多集中分布于汛期(6月—9月)，汛期降雨量占全年總降雨量的67.7%。其中，7月—8月降雨量最多，約占全年總降雨量的45.9%。

圖1 1984年—2018年年降雨量分布Fig.1 Distribution of Annual Rainfalls during the Period of 1984 to 2018

圖2 1984年—2018年月均降雨量分布Fig.2 Distribution of Average Monthly Rainfalls during the Period of 1984 to 2018

1.2 試驗(yàn)場(chǎng)地條件

人工降雨試驗(yàn)系統(tǒng)由供水單元、增壓及控制單元、噴霧單元3部分組成[圖3(a)]，供水水箱內(nèi)有50 m揚(yáng)程增壓泵，控制操作由計(jì)算機(jī)完成?，F(xiàn)場(chǎng)布設(shè)流量計(jì)(SmartWater SWQ505P在線超聲波流量計(jì))1臺(tái)[圖3(b)]，用于實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)徑流流量；布設(shè)雨量計(jì)(SL3-1翻斗式雨量計(jì))1臺(tái)，用于校準(zhǔn)人工模擬降雨設(shè)備的降雨量。選取城市某主干道作為試驗(yàn)場(chǎng)地，路面由瀝青鋪設(shè)，兩側(cè)具有一定的匯流坡度，易取得徑流水樣。在此干道選取4處試驗(yàn)場(chǎng)地，各場(chǎng)地使用擋水帶圍出的產(chǎn)流面積為50 m2，保證試驗(yàn)互不干擾。道路試驗(yàn)共計(jì)進(jìn)行4場(chǎng)人工降雨，每場(chǎng)降雨時(shí)間為2 h，每次降雨結(jié)束后更換試驗(yàn)場(chǎng)地。試驗(yàn)開展前一周內(nèi)未產(chǎn)生有效降水。

圖3 道路人工降雨試驗(yàn)現(xiàn)場(chǎng) (a)降雨設(shè)備；(b)流量計(jì)Fig.3 Road Artificial Rainfall Test Site (a) Artificial Rainfall Instrument; (b)Flowmeter

結(jié)合《青島市海綿城市試點(diǎn)區(qū)海綿城市詳細(xì)規(guī)劃》(2016—2020)、《青島市海綿城市試點(diǎn)區(qū)系統(tǒng)化實(shí)施方案》(2017)等規(guī)劃及方案要求，確定本次人工模擬降雨條件。

(1)降雨強(qiáng)度：降雨雨強(qiáng)條件分別為1年一遇(累積總降雨量為37.29 mm)、2年一遇(累積總降雨量為49.99 mm)、3年一遇(累積總降雨量為56.36 mm)、5年一遇(累積總降雨量為63.68 mm)。試驗(yàn)過程中，采用變量雨強(qiáng)，即在一場(chǎng)降雨試驗(yàn)中，降雨量隨時(shí)間變化而變化。

(2)降雨歷時(shí)：采用2 h降雨情景。

(3)暴雨強(qiáng)度：采用最新修編的青島市暴雨強(qiáng)度公式進(jìn)行降雨情景設(shè)置，如式(1)。

(1)

其中：q——設(shè)計(jì)暴雨強(qiáng)度，L/(s·ha)，1 ha=104m2；

P——設(shè)計(jì)重現(xiàn)期，a；

t——降雨歷時(shí)，min。

1.3 水質(zhì)流量協(xié)同監(jiān)測(cè)方案

在人工降雨條件下，監(jiān)測(cè)道路下墊面中出水流量隨降雨歷時(shí)的變化。結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)條件，對(duì)流量的監(jiān)測(cè)采取自動(dòng)化監(jiān)測(cè)方式，通過在出水口放置流量計(jì)進(jìn)行測(cè)量。

自監(jiān)測(cè)點(diǎn)產(chǎn)流開始監(jiān)測(cè)，并于第1、3、6、10、15、20、30、40、60、90、120 min至徑流結(jié)束，進(jìn)行人工采樣。按照國(guó)家或行業(yè)認(rèn)同標(biāo)準(zhǔn)，對(duì)人工降雨條件下采集的樣品進(jìn)行保存和檢測(cè)，檢測(cè)指標(biāo)包括SS、NH3-N、COD、TN、TP這5項(xiàng)污染物。

1.4 污染物測(cè)試指標(biāo)和分析方法

1.4.1 污染物測(cè)試指標(biāo)

徑流污染物重點(diǎn)考察的指標(biāo)為COD、NH3-N、TN、TP、SS。樣品通過500 mL廣口取樣瓶采集，并在4 ℃條件下保存，48 h內(nèi)對(duì)水樣完成檢測(cè)。其中，COD采用消解分光光度法，NH3-N采用納氏試劑分光光度法，TN和TP采用堿性過硫酸鉀消解紫外分光光度法和鉬酸銨分光光度法測(cè)得溶解性濃度，懸浮物通過哈希DR2800水質(zhì)分析儀測(cè)得，具體方法如表1所示。

表 1 樣品分析方法及依據(jù)Tab.1 Methods and Basis of Samples Analysis

1.4.2 徑流污染物平均濃度

采用美國(guó)國(guó)家環(huán)境保護(hù)局(Environmental Protection Agency，EPA)提出的一次降雨徑流的平均濃度(event mean concentration，EMC)作為此次人工降雨試驗(yàn)徑流水質(zhì)的評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)。EMC指一次徑流污染過程中污染物的流量加權(quán)平均濃度，即總污染量與總徑流量之比。通過EMC，對(duì)每一場(chǎng)降雨徑流污染物進(jìn)行綜合評(píng)價(jià)，全面反映一次降雨徑流污染的程度[9]。

一次徑流的持續(xù)時(shí)間為tr，那么EMC的計(jì)算如式(2)。

(2)

其中：EMC——單次徑流污染的平均濃度，mg/L；

M——整個(gè)徑流過程中污染物的量，g；

V——徑流總量，m3；

t——采樣時(shí)間，min；

Ct——t時(shí)刻污染物的濃度，mg/L；

Qt——t時(shí)刻徑流流量，m3/min；

Δt——采樣間隔時(shí)間，min。

1.4.3 相關(guān)性分析

指標(biāo)體系過于復(fù)雜會(huì)影響實(shí)際設(shè)計(jì)目標(biāo)的實(shí)現(xiàn)，而對(duì)污染物之間的相關(guān)性分析可在污染物控制的設(shè)計(jì)中簡(jiǎn)化控制體系，對(duì)目標(biāo)污染物的處理更具針對(duì)性，從而優(yōu)化污染物控制設(shè)計(jì)與控制措施的結(jié)合效果。對(duì)于SS污染指標(biāo)的相關(guān)性分析，將各樣本的SS與COD、NH3-N、TN、TP這4項(xiàng)指標(biāo)進(jìn)行線性回歸分析，得到濃度變化的線性關(guān)系。

SS控制率表示在不同徑流時(shí)間下的SS污染物累積產(chǎn)生量與總產(chǎn)生量的比值，此比值(即SS控制率)對(duì)應(yīng)本試驗(yàn)設(shè)定的降雨累積量，認(rèn)定為設(shè)計(jì)降雨量，計(jì)算如式(3)。其中，SS累積產(chǎn)生量是通過試驗(yàn)測(cè)得的SS濃度與相對(duì)應(yīng)時(shí)間段的徑流量計(jì)算得出，SS總產(chǎn)生量為整個(gè)試驗(yàn)過程中徑流產(chǎn)生的SS的量，也是以試驗(yàn)測(cè)得的SS濃度與相對(duì)應(yīng)時(shí)間段的徑流量計(jì)算并求和得出。

(3)

年徑流總量控制率是指通過自然或人工強(qiáng)化的滲透、集蓄等方式，場(chǎng)地內(nèi)累計(jì)全年得到控制的雨量占全年總降雨量的比例，如式(4)。年徑流總量控制率可通過日降雨量統(tǒng)計(jì)分析，折算到設(shè)計(jì)降雨量：選取至少近30年(反映長(zhǎng)期的降雨規(guī)律和近年的氣候變化)的日降雨(不包括降雪)資料，扣除≤2 mm降雨事件的降雨量(一般不產(chǎn)生徑流)，將日降雨量由小到大進(jìn)行排序，統(tǒng)計(jì)小于某一降雨量x的降雨總量(小于該降雨量的按實(shí)際雨量計(jì)算出降雨總量，大于該降雨量的按該降雨量計(jì)算出降雨總量，兩者累計(jì)總和)在總降雨量中的比率，此比率(即年徑流總量控制率)對(duì)應(yīng)的降雨量(日值)即為設(shè)計(jì)降雨量。

年徑流總量控制率=

(4)

2 試驗(yàn)結(jié)果與討論

2.1 降雨徑流規(guī)律

在試驗(yàn)過程中，1年一遇、2年一遇、3年一遇、5年一遇的模擬降雨雨強(qiáng)和徑流流量如圖4所示。降雨量通過雨量計(jì)進(jìn)行校核，徑流量通過流量計(jì)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)。

圖4 降雨過程中設(shè)計(jì)降雨量與徑流量變化規(guī)律Fig.4 Variation of Design Capacity of Rainfall and Runoff during Rainfalls

分析可知，與降雨過程相比，徑流的產(chǎn)生及消失時(shí)間均有所推遲，單位徑流產(chǎn)生面積的總徑流量與總降雨量之比為道路徑流系數(shù)，試驗(yàn)得道路徑流系數(shù)為0.90～0.94。在不同降雨強(qiáng)度條件下，典型道路下墊面中，徑流的產(chǎn)生時(shí)間與降雨的開始時(shí)間相比均有所延遲。試驗(yàn)表明，在降雨過程發(fā)生19～22 min后，流量計(jì)處監(jiān)測(cè)到徑流量產(chǎn)生。但是，隨著降雨強(qiáng)度的逐漸增大，徑流產(chǎn)生時(shí)間有逐漸提前的趨勢(shì)。

在不同降雨強(qiáng)度條件下，隨著降雨過程的持續(xù)，排口處徑流量逐漸增多，且在2 h降雨試驗(yàn)停止后的20 min內(nèi)，排口處依舊可監(jiān)測(cè)到明顯的徑流量。以上數(shù)據(jù)表明，徑流的停止時(shí)間與降雨的停止時(shí)間相比有所滯后，在降雨過程停止后，路面徑流依舊會(huì)在一定時(shí)間內(nèi)繼續(xù)存在并持續(xù)產(chǎn)生影響。

2.2 徑流污染物濃度變化規(guī)律

自人工降雨試驗(yàn)徑流產(chǎn)生開始計(jì)時(shí)，分別在1、3、6、10、15、20、30、40、60、90、120 min取徑流水體樣本，并對(duì)其水質(zhì)進(jìn)行檢測(cè)。此次檢測(cè)選取5項(xiàng)典型徑流污染水質(zhì)指標(biāo)，分別為SS、NH3-N、COD、TN、TP。各污染物濃度隨徑流時(shí)間變化情況如圖4所示。

由圖5可知，5項(xiàng)典型污染物瞬時(shí)濃度均隨著徑流的產(chǎn)生呈現(xiàn)明顯的初期濃度高、隨后逐漸降低的趨勢(shì)。在4種不同降雨重現(xiàn)期條件下，COD、SS、NH3-N、TN和TP在徑流產(chǎn)生初始階段(1～6 min)均達(dá)到濃度峰值，這是因?yàn)樵诋a(chǎn)流初期，大量的路面污染物被降雨沖刷釋放進(jìn)入雨水徑流中，此時(shí)水體中的污染物濃度最高。而后隨著降雨過程的持續(xù)，徑流量逐漸增大，水體中的污染物濃度逐漸降低，并于徑流產(chǎn)生的20 min后，CODCr與SS濃度穩(wěn)定在20～30 mg/L和10～30 mg/L，徑流水體中的各項(xiàng)污染物濃度最終趨于平穩(wěn)狀態(tài)，且隨著降雨歷時(shí)的延長(zhǎng)，徑流水體中污染物濃度不再出現(xiàn)明顯變化。吳亞剛等[10]研究西安市某道路下墊面，發(fā)現(xiàn)有機(jī)物以及氮、磷等污染物在產(chǎn)流前期濃度較高，并于一定時(shí)間后趨于平穩(wěn)，與本試驗(yàn)中道路徑流污染物濃度變化趨勢(shì)相似，表明道路下墊面隨著徑流的產(chǎn)生，污染物濃度呈現(xiàn)初期高、隨后降低的變化規(guī)律。

圖5 道路下墊面各徑流污染物瞬時(shí)濃度變化 (a) CODCr；(b) NH3-N；(c) SS；(d) TN；(e) TPFig.5 Instantaneous Concentration Variation of Runoff Pollutants on Underlying Surface of the Road (a) CODCr; (b) NH3-N; (c) SS; (d) TN; (e) TP

2.3 徑流污染物平均濃度(EMC)

污染物含量受到降雨歷時(shí)、降雨強(qiáng)度、地表污染狀況等多方面影響，瞬時(shí)濃度無(wú)法代表徑流的污染狀況。因此，采用次降雨徑流平均濃度(EMC)來(lái)計(jì)算和評(píng)估地表降雨徑流中攜帶的污染物質(zhì)含量。道路下墊面不同降雨條件下各污染物實(shí)測(cè)濃度及EMC如表2所示。

受不同降雨強(qiáng)度沖刷及降雨、徑流總量影響，不同降雨條件下徑流污染物實(shí)測(cè)濃度及EMC有所差異。2 h降雨試驗(yàn)過程所產(chǎn)生的徑流中，SS平均濃度為43～91 mg/L；NH3-N平均濃度為0.15～1.01 mg/L；CODCr平均濃度為66～104 mg/L；TN平均濃度為4.2～4.9 mg/L；TP平均濃度為0.06～0.11 mg/L。NH3-N與TP濃度低于地表Ⅳ類水標(biāo)準(zhǔn)，COD和TN濃度均高于地表V類水標(biāo)準(zhǔn)。與北京和浙江臨安道路下墊面相比，青島市道路COD和SS含量高出50%以上[11-12]。徐宇婕等[13]發(fā)現(xiàn)，寧波市城市道路CODCr平均濃度(74.42 mg/L)略低于青島(66～104 mg/L)，TSS濃度在300 mg/L以上，TN平均濃度為8.04 mg/L。吳民山等[14]的研究發(fā)現(xiàn)，天津臨港工業(yè)園區(qū)CODCr較高，EMC為120 mg/L，TSS為160 mg/L，工業(yè)園內(nèi)NH3-N和TN較高，TN最高接近20 mg/L。對(duì)比發(fā)現(xiàn)，道路下墊面中TN和COD濃度處于較高水平，可考慮作為道路下墊面重點(diǎn)關(guān)注指標(biāo)。各個(gè)城市對(duì)比發(fā)現(xiàn)，各項(xiàng)污染物EMC波動(dòng)范圍有較大差異，因地制宜進(jìn)行試驗(yàn)分析污染物變化規(guī)律具有現(xiàn)實(shí)意義。

表 2 不同降雨條件下徑流污染物EMCTab.2 EMC of Runoff Pollutants under Different Rainfall Conditions

2.4 典型徑流污染物相關(guān)性分析

2.4.1 SS污染指標(biāo)相關(guān)性分析

人工降雨試驗(yàn)選取了SS、NH3-N、COD、TN及TP這5項(xiàng)污染物對(duì)降雨徑流的水質(zhì)變化情況進(jìn)行分析和評(píng)估，從而更全面地了解青島市道路下墊面徑流污染變化規(guī)律。NH3-N、COD、TN及TP這4項(xiàng)指標(biāo)在測(cè)試中存在耗時(shí)長(zhǎng)、步驟復(fù)雜和成本高等缺點(diǎn)，而SS指標(biāo)可通過便攜式設(shè)備實(shí)地快速測(cè)得，可作為其他指標(biāo)的代表。實(shí)際設(shè)計(jì)過程中，目標(biāo)會(huì)因指標(biāo)體系過于復(fù)雜難以實(shí)現(xiàn)。本研究對(duì)5項(xiàng)典型徑流污染物的相關(guān)性進(jìn)行分析(圖6)，實(shí)現(xiàn)多污染物指標(biāo)體系的融合，便于海綿城市建設(shè)的實(shí)際實(shí)施。

圖6 典型徑流污染物相關(guān)性分析 (a) CODCr；(b) TN；(c) NH3-N；(d) TPFig.6 Correlation Analysis of Typical Runoff Pollutants (a) CODCr; (b) TN; (c) NH3-N; (d) TP

結(jié)果表明，道路下墊面徑流水樣中，SS與NH3-N、COD、TN、TP等指標(biāo)的濃度呈現(xiàn)一定的正相關(guān)關(guān)系。因此，可選擇SS污染指標(biāo)作為青島市道路下墊面典型徑流污染指標(biāo)，其他指標(biāo)可通過換算成SS污染指標(biāo)進(jìn)行估算，并進(jìn)一步進(jìn)行有效管控。

2.4.2 徑流污染控制與年徑流總量控制率相關(guān)性分析

青島市近30年總有效降雨天數(shù)為1 275 d(降雨量>2 mm)，總降雨量為19 753.9 mm，通過1.4.3節(jié)所述方法可得年徑流總量控制率與設(shè)計(jì)降雨量的關(guān)系。SS控制率與設(shè)計(jì)雨量的關(guān)系由試驗(yàn)測(cè)得，年徑流總量控制率與設(shè)計(jì)降雨量的關(guān)系由實(shí)際降雨數(shù)據(jù)可得，同一設(shè)計(jì)降雨量下的SS控制率與年徑流總量控制率對(duì)應(yīng)關(guān)系如圖7所示。

采用SS指標(biāo)作為青島市道路下墊面徑流污染控制的典型污染物。2.4.1節(jié)中已分析SS與其他污染物的相關(guān)性，可通過SS控制率建立污染物與降雨量和徑流控制率的關(guān)系。對(duì)徑流SS污染控制率與設(shè)計(jì)降雨量以及年徑流總量控制率進(jìn)行分析，可為北方濱海城市降雨量和徑流量與道路徑流污染特征關(guān)系提供理論支撐。

對(duì)不同降雨強(qiáng)度控制條件下道路下墊面徑流SS控制率與設(shè)計(jì)降雨量的關(guān)系進(jìn)行擬合分析，發(fā)現(xiàn)道路下墊面徑流SS控制率與設(shè)計(jì)降雨量具有較好的線性關(guān)系，y=0.019 5x-0.170 4(R2=0.836 8)。此式和圖7可為海綿城市的建設(shè)提供理論基礎(chǔ)。年徑流總量控制率對(duì)應(yīng)的降雨量即為設(shè)計(jì)降雨量，設(shè)計(jì)降雨量根據(jù)關(guān)系式與SS控制率對(duì)應(yīng)。例如，當(dāng)年徑流總量控制率在85%時(shí)，對(duì)應(yīng)的設(shè)計(jì)降雨量為40 mm，進(jìn)而通過關(guān)系式可得，SS控制率為60.96%。在道路徑流污染控制設(shè)計(jì)過程中，合理確定適宜的設(shè)計(jì)降雨量，從而確定對(duì)應(yīng)的年徑流總量控制率。在北方海綿城市建設(shè)過程中，可為基于水環(huán)境污染控制目的的降雨控制提供參考。

圖7 道路下墊面徑流SS控制率擬合結(jié)果與年徑流總量控制率關(guān)系Fig.7 Relationship between SS Control Rate Fitting Result of Underlying Surface Runoff and Total Control Rate of Annual Runoff

3 結(jié)論

(1)通過人工降雨試驗(yàn)，研究了道路下墊面降雨過程中徑流污染負(fù)荷的產(chǎn)生規(guī)律。經(jīng)分析可知，SS、NH3-N、COD、TN及TP這5項(xiàng)典型污染物瞬時(shí)濃度均隨著徑流的產(chǎn)生呈現(xiàn)明顯的初期濃度高(在1～6 min濃度達(dá)到峰值)、隨后降低的趨勢(shì)。

(2)對(duì)不同降雨條件下單場(chǎng)降雨各污染物的徑流污染物平均濃度(EMC)進(jìn)行分析計(jì)算，SS、NH3-N、CODCr、TN和TP的EMC為43～91、0.15～1.01、66～104、4.2～4.9 mg/L和0.06～0.11 mg/L。其中，COD和TN濃度的最低值均超過了國(guó)家地表水環(huán)境質(zhì)量V類標(biāo)準(zhǔn)，2項(xiàng)指標(biāo)可考慮作為道路下墊面的重點(diǎn)關(guān)注指標(biāo)。

(3)對(duì)道路下墊面徑流水質(zhì)中SS、NH3-N、COD、TN及TP這5項(xiàng)典型污染物的相關(guān)性進(jìn)行分析，發(fā)現(xiàn)道路下墊面徑流水樣中SS污染指標(biāo)的濃度與NH3-N、COD、TN、TP等指標(biāo)的濃度均呈現(xiàn)較好的線性關(guān)系，可選擇SS作為青島市道路下墊面的典型徑流污染指標(biāo)。

(4)以SS作為典型污染指標(biāo)，分析其徑流污染控制率與設(shè)計(jì)降雨量(對(duì)應(yīng)年徑流總量控制率)的關(guān)系，y=0.019 5x-0.170 4(R2=0.8368)，可根據(jù)此式以控制污染物為目標(biāo)，合理確定適宜設(shè)計(jì)降雨量和年徑流總量控制率，為基于水環(huán)境污染控制目的的降雨控制提供參考。